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DE102009039224A1 - Method for recognizing blocked bore-hole in metallic component i.e. vane of high pressure turbo engine in gas turbine system, involves recognizing continuous borehole based on temperature change in bore-hole - Google Patents

Method for recognizing blocked bore-hole in metallic component i.e. vane of high pressure turbo engine in gas turbine system, involves recognizing continuous borehole based on temperature change in bore-hole Download PDF

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DE102009039224A1
DE102009039224A1 DE102009039224A DE102009039224A DE102009039224A1 DE 102009039224 A1 DE102009039224 A1 DE 102009039224A1 DE 102009039224 A DE102009039224 A DE 102009039224A DE 102009039224 A DE102009039224 A DE 102009039224A DE 102009039224 A1 DE102009039224 A1 DE 102009039224A1
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bore
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Joachim Dr. Bamberg
Volker Carl
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Abstract

The method involves passing of compressed air bore-hole of a metallic component (12) with compressed air. Heat development in the bore-hole or in a surrounding area of the bore-hole is detected, during or after passing of the compressed air. A continuous bore-hole is recognized based on temperature change in the bore-hole and/or in the surrounding area of the bore-hole. The heat development is verified in a thermo-graphical manner. Temperature distribution of the component is detected, before passing of the bore-hole with compressed air. An independent claim is also included for a device for implementing the method for recognizing the blocked bore-hole in the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for detecting clogged holes in a component, in particular in a blade of a turbomachine. The invention further relates to a device for carrying out such a method.

Für einen sicheren Betrieb einer Turbomaschine ist eine ausreichende und zuverlässige Kühlung der Turbinenschaufeln, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, von wesentlicher Bedeutung. Die Turbinenschaufeln weisen deshalb eine Vielzahl an Kühlkanälen oder Kühlkanäle bildende Hohlräume auf, die im Folgenden der Einfachheit halber allgemein als Bohrungen bezeichnet werden. Während des Betriebs der Turbomaschine werden die Bohrungen von Kühlluft durchströmt, wobei sicherzustellen ist, dass die Kühlluft ungehindert durch die Bohrungen strömen kann.For safe operation of a turbomachine, sufficient and reliable cooling of the turbine blades, which are subjected to a high load, is essential. Therefore, the turbine blades have a plurality of cooling channels or cooling channels forming cavities, which are referred to in the following for the sake of simplicity generally as holes. During operation of the turbomachine, the holes are flowed through by cooling air, it being ensured that the cooling air can flow unhindered through the holes.

Aus der DE 102 48 410 A1 ist eine Vorrichtung zur Ausfilterung von Partikeln aus einer Strömung bekannt, mit der bei Einsatz in einem Kühlsystem einer Strömungsmaschine der Eintrag von Staub- und Schmutzpartikeln in die Kühlkanäle für die Hochdruckturbinenschaufeln reduziert werden soll. Die Eintrittsöffnungen der Kühlkanäle sind so modifiziert, dass ein erster Kanal für den Einlass mit zweiten Kanälen kleineren Querschnitts für den Auslass der Strömung verbunden ist. Die zweiten Kanäle weisen am Übergang vom ersten Kanal ein kanalförmiges Verlängerungselement auf, das sich in den ersten Kanal erstreckt. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass nur noch mit dem Kühlmedium mitgeführte Schmutz- und Staubpartikel in die Kühlkanäle eintreten, die sich direkt geradlinig auf die Öffnung des Verlängerungselementes zu bewegen.From the DE 102 48 410 A1 a device for filtering particles from a flow is known, with the use of a cooling system of a turbomachine, the entry of dust and dirt particles in the cooling channels for the high-pressure turbine blades is to be reduced. The inlet openings of the cooling channels are modified such that a first channel for the inlet is connected to second channels of smaller cross section for the outlet of the flow. The second channels have a channel-shaped extension element at the transition from the first channel, which extends into the first channel. This configuration causes only entrained with the cooling medium dirt and dust particles entering the cooling channels, which move directly straight to the opening of the extension element.

Die DE 102 52 189 A1 zeigt einen Staubabscheider für eine Gasturbinenanlage, der auf dem Leitschaufelträger angeordnet ist. Der Staubabscheider weist einen Führungskanal auf, der zwischen einer Einlass- und einer Auslassöffnung eine Krümmung aufweist, wobei in einer äußeren Wandung der Krümmung eine Staubaustrittsöffnung ausgebildet ist.The DE 102 52 189 A1 shows a dust collector for a gas turbine plant, which is arranged on the vane support. The dust collector has a guide channel which has a curvature between an inlet and an outlet opening, wherein a dust outlet opening is formed in an outer wall of the curvature.

Doch auch bei Einsatz solcher präventiven Maßnahmen können Verstopfungen nicht ausgeschlossen werden. Deshalb ist es wichtig, vor der Inbetriebnahme und bei der Wartung einer Turbomaschine Verstopfungen in den Bohrungen der Turbinenschaufeln zu erkennen und möglicherweise zu lokalisieren, um diese – soweit möglich – zu beseitigen.But even with the use of such preventive measures, blockages can not be ruled out. Therefore, it is important to detect and possibly locate blockages in the turbine blade holes prior to commissioning and maintenance of a turbomachinery, to eliminate them as much as possible.

Aus der DE 100 64 269 A1 ist es bekannt, eine Inspektion des Inneren einer Strömungsmaschinenkomponente mit Kühlkanälen dadurch zu ermöglichen, dass die Komponente mit Inspektionsöffnungen versehen wird. Die Inspektionsöffnungen sind derart an der Komponente angeordnet und dimensioniert, dass sie gleichzeitig eine Staubaustragsöffnung für im Kühlmedium enthaltene Staub- oder Schmutzpartikel bildet.From the DE 100 64 269 A1 It is known to allow an inspection of the interior of a flow machine component with cooling channels by providing the component with inspection openings. The inspection openings are arranged and dimensioned on the component in such a way that it simultaneously forms a dust discharge opening for dust or dirt particles contained in the cooling medium.

In dem Vortrag ”Automatisiertes System zur thermographischen Prüfung von Gasturbinenschaufeln” von J. Zettner et al. anlässlich der DGZfP-Jahrestagung 2003 ist ein Verfahren zur Prüfung von Schaufeln einer Gasturbine auf verstopfte Kühlkanäle mittels Heißlufttransmission beschrieben. Es wird heiße Luft durch die Schaufel geblasen, die das Metall rund um die Austrittsöffnung erwärmt. Die Erwärmung der Bohrungsumgebung wird mit einer Thermographiekamera detektiert, sodass eine optische Kontrolle der Bohrungen ermöglicht wird.In the lecture "Automated System for Thermographic Testing of Gas Turbine Blades" by J. Zettner et al. on the occasion of the DGZfP Annual Meeting 2003 A method for testing blades of a gas turbine for clogged cooling channels by means of hot air transmission is described. Hot air is blown through the blade, which heats the metal around the outlet. The heating of the bore environment is detected with a thermographic camera, so that an optical control of the holes is made possible.

Ein ähnliches Verfahren wurde bereits in der US 4,644,162 vorgeschlagen. Bei dieser Art von Inspektionsverfahren kann aber nicht ausgeschlossen werden, dass die Bohrungsposition und die Schaufelgeometrie zu Falschanzeigen führen. Außerdem muss ein geeignetes Aggregat zur Lufterwärmung bereitgestellt werden.A similar procedure was already in the US 4,644,162 proposed. With this type of inspection method, however, it can not be ruled out that the bore position and the blade geometry will lead to false readings. In addition, a suitable unit for air heating must be provided.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem bzw. mit der verstopfte Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, zuverlässig erkannt werden können.The object of the invention is to provide a cost-effective method and an apparatus for carrying out the method, with which or with the clogged holes in a component, in particular in a blade of a turbomachine, can be reliably detected.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 6. Advantageous and expedient embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention are the subject matter of the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, umfasst folgende Schritte:

  • – Durchströmen der Bohrungen des Bauteils mit Pressluft;
  • – Erfassen der Wärmeentwicklung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen während oder nach dem Durchströmen; und
  • – Erkennen der durchgängigen Bohrungen anhand einer Temperaturänderung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen.
The inventive method for detecting clogged holes in a component, in particular in a blade of a turbomachine, comprises the following steps:
  • - Flow through the bores of the component with compressed air;
  • - Detecting the evolution of heat in the holes and / or drilling environments during or after flowing through; and
  • - Recognition of the continuous holes on the basis of a temperature change in the holes and / or Bohrumgebungen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Beobachtung besonderer physikalischer, genauer gesagt thermodynamischer Effekte für die Kontrolle der Durchgängigkeit von Bohrungen genutzt werden kann. Unmittelbar nach Beginn des Durchströmens erwärmt sich nämlich eine Bohrungsumgebung durch die Kompression der Luft und kühlt danach aufgrund der Expansionskälte der Pressluft wieder ab. Diese charakteristischen Wärmeentwicklungen deuten auf eine durchgängige Bohrung hin; bei einer verstopften Bohrung sind die Erwärmungs- und Abkühlungseffekte nicht zu beobachten, oder sie sind zumindest weniger stark ausgeprägt.The invention is based on the recognition that the observation of particular physical, more precisely thermodynamic effects can be used for controlling the continuity of boreholes. Namely, immediately after the start of the flow, a bore environment heats up by the compression of the air and then cools down again due to the expansion of the compressed air. These characteristic heat developments indicate a continuous bore; in a clogged hole, the heating and cooling effects are not observed, or they are at least less pronounced.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass Wanddicken und Bohrungspositionen kaum noch eine Rolle spielen, da direkte physikalische Effekte gemessen werden, die an der Bohrung stattfinden. Bei Einsatz geeigneter Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle, vollautomatische und auch kostengünstige Prüfung von Kühlluftbohrungen, insbesondere im Vergleich zu einer derzeit praktizierten manuellen Wasserdurchflussprüfung. Ein weiterer Vorteil gegenüber der zuvor erwähnten Heißluftprüfung besteht darin, dass kein Aggregat zur Lufterwärmung notwendig ist.The method according to the invention has the advantage that wall thicknesses and bore positions hardly play a role, since direct physical effects that occur at the bore are measured. When using a suitable technique, the method according to the invention enables a fast, fully automatic and also cost-effective testing of cooling-air bores, in particular in comparison with a currently practiced manual water-flow test. Another advantage over the aforementioned hot air test is that no unit for air heating is necessary.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Pressluftzufuhr zur Bereitstellung von nicht-erwähnter oder temperierter Pressluft. Mit einer auf das Bauteil gerichteten Wärmebildkamera können die zuvor beschriebenen Effekte beobachtet und anschließend einer Auswertung zugeführt werden.The invention also provides an apparatus for carrying out the method according to the invention with a compressed air supply for the provision of non-mentioned or tempered compressed air. With a directed onto the component thermal imaging camera, the effects described above can be observed and then fed to an evaluation.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the accompanying drawings, to which reference is made. In the drawing, the single figure shows schematically the structure of a device according to the invention for detecting clogged holes in a component.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung umfasst einen Prüfstand 10, auf dem das zu untersuchende metallische Bauteil 12, beispielsweise eine Schaufel einer Turbomaschine, vollautomatisch platziert werden kann.The device shown in the figure comprises a test stand 10 on which the metallic component to be examined 12 For example, a blade of a turbomachine, can be placed fully automatically.

Der Prüfstand 10 verfügt über eine Pressluftzufuhr 14, mit der nicht-erwärmte oder temperierte Luft unter hohem Druck in die Bohrungen des Bauteils 12 eingeleitet werden kann. Die Pressluftzufuhr 14 ist mittels eines elektronisch gesteuerten Pressluftventils 16 einstellbar, insbesondere kann zu einem definierten Zeitpunkt die Zufuhr gestartet werden. Die elektronische Steuerung des Pressluftventils 16 erfolgt über eine Steuereinheit, insbesondere in Form einer Steuerkarte in einem Rechner 18.The test bench 10 has a compressed air supply 14 , with the unheated or tempered air under high pressure in the holes of the component 12 can be initiated. The compressed air supply 14 is by means of an electronically controlled compressed air valve 16 adjustable, in particular, the supply can be started at a defined time. The electronic control of the compressed air valve 16 takes place via a control unit, in particular in the form of a control card in a computer 18 ,

An den Rechner 18 ist außerdem eine Wärmebildkamera 20, angeschlossen, die auf das Bauteil 12 gerichtet ist. Der Rechner 18 verfügt über eine Bildverarbeitungsfunktionalität, sodass die von der Wärmebildkamera 20 aufgenommenen Bilder am Rechner 18 angezeigt und ausgewertet werden können.To the calculator 18 is also a thermal imaging camera 20 , connected to the component 12 is directed. The computer 18 has an image processing functionality, so that of the thermal imager 20 taken pictures on the computer 18 can be displayed and evaluated.

Die Steuereinheit für das Pressluftventil 16 und die Bildverarbeitung müssen nicht zwangsläufig im selben Rechner 18 vorgesehen sein; für eine Automatisierung des Verfahrens ist dies aber von Vorteil.The control unit for the compressed air valve 16 and the image processing does not necessarily have to be in the same computer 18 be provided; but this is an advantage for automation of the process.

Im Folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.In the following, the implementation of the method according to the invention will be described.

Das Bauteil 12, genauer gesagt dessen Bohrungen werden mit nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft durchströmt, indem das Pressluftventil 16 geöffnet wird. Die Kompression der Luft unmittelbar nach dem Öffnen des Pressluftventils 16 führt in der Regel zu einer kurzfristigen leichten Erwärmung der Bohrungsumgebungen. Danach kühlen die durchgängigen Bohrungen aufgrund der Expansionskälte der Pressluft merklich ab, typischerweise in der Größenordnung von 100 Millisekunden nach Beginn der Pressluftzufuhr. Obwohl die anfängliche Erwärmung nicht bei allen Bohrungen messbar ist, tritt die Abkühlung bei allen durchgängigen Bohrungen auf.The component 12 , more precisely whose holes are flowed through with non-heated or tempered compressed air by the compressed air valve 16 is opened. The compression of the air immediately after opening the compressed air valve 16 usually results in a short-term slight warming of the bore environments. Thereafter, the through holes significantly cool due to the expansion cold of the compressed air, typically on the order of 100 milliseconds after the start of the supply of compressed air. Although initial heating is not measurable on all holes, cooling occurs on all through holes.

Der gesamte Vorgang wird mittels der Wärmebildkamera 20 thermographisch überwacht. Der Ausgangszustand (Temperaturverteilung des Bauteils 12 vor dem Durchströmen), ggf. die Erwärmung und die anschließende Abkühlung der freien Bohrungen und der Bohrungsumgebungen sind auf den Bildern, die die Wärmebildkamera 20 während des Durchströmens liefert, deutlich erkennbar. Dagegen sind diese Effekte bei einer nicht durchgängigen (verstopften) Bohrung nicht oder kaum sichtbar, sodass eine verstopfte Bohrung leicht identifizierbar ist.The whole process is done by means of the thermal imaging camera 20 thermographically monitored. The initial state (temperature distribution of the component 12 before flowing through), if necessary, the heating and subsequent cooling of the free holes and the drilling environments are on the pictures taken by the thermal imaging camera 20 while flowing through, clearly visible. In contrast, these effects are not or hardly visible in a non-continuous (clogged) bore, so a clogged bore is easily identifiable.

Das Bauteil 12 kann vor und/oder während der Prüfung temperiert werden.The component 12 can be tempered before and / or during the test.

Die oben beschriebenen Verfahrensschritte zur Erkennung von verstopften Bohrungen und die anschließende Auswertung werden vollautomatisch durchgeführt.The process steps described above for the detection of clogged holes and the subsequent evaluation are carried out fully automatically.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Prüfstandtest bench
1212
Bauteilcomponent
1414
PressluftzufuhrCompressed air supply
1616
PressluftventilPneumatic valve
1818
Rechnercomputer
2020
WärmebildkameraThermal camera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ”Automatisiertes System zur thermographischen Prüfung von Gasturbinenschaufeln” von J. Zettner et al. anlässlich der DGZfP-Jahrestagung 2003 [0007] "Automated System for Thermographic Testing of Gas Turbine Blades" by J. Zettner et al. on the occasion of the DGZfP Annual Meeting 2003 [0007]

Claims (10)

Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil (12), insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, mit folgenden Schritten: – Durchströmen der Bohrungen des Bauteils (12) mit Pressluft; – Erfassen der Wärmeentwicklung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen während oder nach dem Durchströmen; und – Erkennen der durchgängigen Bohrungen anhand einer Temperaturänderung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen.Method for detecting clogged holes in a component ( 12 ), in particular in a blade of a turbomachine, with the following steps: - flow through the bores of the component ( 12 ) with compressed air; - Detecting the evolution of heat in the holes and / or drilling environments during or after flowing through; and - detecting the continuous holes by means of a temperature change in the holes and / or drilling environments. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeentwicklung jeweils thermographisch überprüft wird.A method according to claim 1, characterized in that the heat development is respectively thermographically checked. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperaturverteilung des Bauteils (12) vor dem Durchströmen erfasst und bei der Erkennung berücksichtigt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in addition the temperature distribution of the component ( 12 ) is detected before flowing through and taken into account in the recognition. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) vor und/oder während dem Durchströmen und dem Erfassen temperiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component ( 12 ) is tempered before and / or during the passage and the detection. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückung einer Vorrichtung mit dem Bauteil (12) und/oder die einzelnen Verfahrensschritte und/oder eine anschließende Auswertung vollautomatisch durchgeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the assembly of a device with the component ( 12 ) and / or the individual process steps and / or a subsequent evaluation are carried out fully automatically. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pressluftzufuhr (14) zur Bereitstellung von nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized by a compressed air supply ( 14 ) for providing non-heated or tempered compressed air. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressluftzufuhr (14) ein Pressluftventil (16) aufweist, mit dem die Pressluft zu einem definierten Zeitpunkt in die Bohrungen des Bauteils (12) eingeleitet werden kann.Apparatus according to claim 6, characterized in that the compressed air supply ( 14 ) a compressed air valve ( 16 ), with which the compressed air at a defined time in the bores of the component ( 12 ) can be initiated. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, insbesondere eine Steuerkarte in einem Rechner (18), zur elektronischen Steuerung des Pressluftventils (16).Apparatus according to claim 7, characterized by a control unit, in particular a control card in a computer ( 18 ), for the electronic control of the compressed air valve ( 16 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine auf das Bauteil (12) gerichtete Wärmebildkamera (20).Device according to one of claims 6 to 8, characterized by a on the component ( 12 ) directed thermal imaging camera ( 20 ). Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit und die Wärmebildkamera (20) an denselben Rechner (18) angeschlossen sind.Device according to claims 8 and 9, characterized in that the control unit and the thermal imaging camera ( 20 ) to the same computer ( 18 ) are connected.
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